高瓦斯煤層綜掘工作面風(fēng)流-粉塵兩相流動(dòng)特性

胡勝勇，廖 奇，王和堂，馮國瑞，徐樂華，黃宜生，邵 和，高 揚(yáng)，胡 斐

(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 3.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024; 4.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

綜掘工作面是煤礦井下產(chǎn)塵量最大的場(chǎng)所之一，生產(chǎn)性粉塵質(zhì)量濃度最高可達(dá)1 000 mg/m3[1-2]。綜掘工作面的高濃度粉塵，易誘發(fā)黑肺病和矽肺，嚴(yán)重威脅工作人員的身體健康，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年的塵肺病例約占總職業(yè)病例達(dá)90%[3-6]。粉塵濃度過高還會(huì)降低工作面的可見度，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)司機(jī)無法判斷截割頭位置而漏割或重割[7]。對(duì)于高瓦斯礦井，為避免出現(xiàn)綜掘工作面出現(xiàn)瓦斯積聚，造成安全隱患，多采用壓入式通風(fēng)[8]。高瓦斯綜掘工作面一般通過增大通風(fēng)風(fēng)量來稀釋、排出瓦斯和粉塵[9-10]。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，存在瓦斯突出危險(xiǎn)的掘進(jìn)工作面不可采用長壓短抽式通風(fēng)，為避免瓦斯積聚，只可采用壓入式通風(fēng)，且要求通風(fēng)風(fēng)量不得低于360 m3/min，但風(fēng)量增大會(huì)導(dǎo)致工作面氣載粉塵運(yùn)移紊亂，不利于粉塵防治[11-14]。亟需研究壓入式通風(fēng)條件下綜掘工作面的氣固兩相流動(dòng)特性，為治理高瓦斯綜掘工作面粉塵提供理論依據(jù)[15]。

數(shù)值模擬作為一種高效可靠的方法被廣泛地用于綜掘工作面風(fēng)流場(chǎng)分布與粉塵運(yùn)移規(guī)律的研究[16-17]。HARGREAVES和LOWNDES[18]研究了綜掘工作面截割和錨固階段通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)粉塵分布特征的影響。王和堂[19]基于流體力學(xué)理論分析了井巷中粉塵顆粒在層流和湍流狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)特征。TORAO等[20]研究了長壓短抽通風(fēng)條件下，抽風(fēng)筒位置對(duì)掘進(jìn)工作面內(nèi)粉塵擴(kuò)散特征的影響。KURNIA等[21]分析了壓入式通風(fēng)、抽出式通風(fēng)和采用隔板條件下，掘進(jìn)工作面內(nèi)粉塵的擴(kuò)散特征。李雨成等[22]研究了綜掘工作面壓入式、抽出式和長壓短抽式通風(fēng)條件下，風(fēng)筒口距綜掘工作面不同距離時(shí)的粉塵分布規(guī)律。蔣仲安等[23]利用Fluent軟件，分析了采用長壓短抽通風(fēng)方式的巖巷掘進(jìn)工作面風(fēng)筒高度與直徑對(duì)渦流的作用。王鵬飛等[24]研究了綜掘工作面射流屏蔽通風(fēng)不同送風(fēng)角度條件下的風(fēng)流場(chǎng)和粉塵濃度分布特征。程衛(wèi)民等[25]分析了風(fēng)幕發(fā)生器的壓抽比與安設(shè)位置對(duì)綜掘工作面風(fēng)流場(chǎng)與粉塵流場(chǎng)運(yùn)移的影響。聶文等[26]研究了多徑向渦流風(fēng)在不同壓風(fēng)量與壓抽比條件下，綜掘工作面內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)流動(dòng)及粉塵擴(kuò)散特征。上述成果主要研究綜掘工作面整體風(fēng)流場(chǎng)與粉塵擴(kuò)散規(guī)律，鮮有專門針對(duì)綜掘工作面研究壓入式通風(fēng)綜掘工作面的氣固兩相流動(dòng)特性。筆者通過數(shù)值計(jì)算，專門研究不同壓入式通風(fēng)風(fēng)速條件下，綜掘工作面風(fēng)流場(chǎng)與粉塵場(chǎng)的三維分布特性，為綜掘工作面除塵設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 數(shù)值計(jì)算模型

綜掘工作面粉塵在氣流運(yùn)載作用下的擴(kuò)散過程屬于氣固兩相流范疇。筆者基于歐拉-拉格朗日法建立數(shù)學(xué)模型[27]，將風(fēng)流作為連續(xù)相，粉塵作為離散相，由于粉塵顆粒體積分?jǐn)?shù)低于10%時(shí)，可以忽略顆粒之間的碰撞作用。為降低運(yùn)算負(fù)荷，提高運(yùn)算效率，未考慮粉塵顆粒之間的碰撞[9,22,28-29]。建立綜掘工作面氣載粉塵運(yùn)動(dòng)方程[25,30]。

連續(xù)性方程:

(1)

動(dòng)量方程:

(2)

標(biāo)準(zhǔn)κ-ε兩方程:

(3)

(4)

式中，ρ為氣體密度，kg/m3;t為時(shí)間，s;u為氣體速度，m/s;x為X，Y，Z方向的坐標(biāo)，m;i為張量符號(hào)，取1，2，3;j為張量符號(hào)，取1，2，3;k為單位質(zhì)量的湍流動(dòng)能，J/kg;ε為湍流動(dòng)能的耗散速度，m2/s3;Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能項(xiàng)，kg/(s3·m);p為湍流有效壓力，Pa;μ為層流黏性系數(shù)，Pa·s;μt為湍流黏性系數(shù)，Pa·s;c1ε，c2ε，cμ，σk，σε為模型常數(shù)，分別取1.44，1.92，0.09，1.00，1.30[31-33]。

運(yùn)用拉格朗日法求解粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡[24],主要考慮曳力與重力作用，根據(jù)牛頓第二定律[34-36]

(5)

(6)

Cd=a1+a2/Re+a3/Re2

(7)

Re=ρdp|>up-u|/μ

(8)

式中，u為氣體速度，m/s;up為粉塵顆粒的速度，m/s;mp為粉塵顆粒的質(zhì)量，kg;Fd為粉塵顆粒受到的曳力，N;Fg為粉塵顆粒的重力，N;dp為粉塵顆粒的直徑，m;Cd為阻力系數(shù);a1，a2，a3為常數(shù);Re為雷諾準(zhǔn)則數(shù)[37]。

2 物理模型建立及參數(shù)設(shè)定

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

潞安集團(tuán)漳村煤礦為高瓦斯礦井，為充分稀釋其綜掘工作面瓦斯，采用加大通風(fēng)風(fēng)量的壓入式通風(fēng)方式。本文以該礦480材料巷Ⅲ段2601綜掘工作面為研究背景，建立等比例物理模型，如圖1所示。采用fluent meshing對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。該工作面尺寸(長×寬×高)為30 m×5 m×3.5 m，壓風(fēng)筒布置在巷道左側(cè)，風(fēng)筒出口距綜掘工作面4 m，固定高度為3 m。圖1中，將綜掘工作面至工作面出口方向設(shè)定為X正方向，將壓風(fēng)側(cè)至回風(fēng)側(cè)方向設(shè)定為Y正方向，將巷道底部至頂部的方向設(shè)定為Z正方向，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)坐標(biāo)為X=6.6 m，Y=1.8 m。將沿X方向定義為軸向，將沿Y方向定義為橫向。

圖1 2601綜掘工作面物理模型Fig.1 Physical model of the 2601 fully mechanized heading face

圖2 綜掘工作面計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Mesh of the fully mechanized heading face

2.2 參數(shù)設(shè)定

主要數(shù)值計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)
Table 1 Parameter of numerical simulation

邊界條件參數(shù)設(shè)定求解器分離求解器湍流模型κ-ε雙方程入口邊界條件速度入口入口速度/(m·s-1)11,14,17,20,23,26水力直徑/m0.8湍流強(qiáng)度/(m2·s-2)2.92出口邊界類型自由出流離散格式二階迎風(fēng)氣相密度/(kg·m-3)1.225氣相黏度/(m2·s-1)1.789 4×10-5固相粒徑分布R-R固相分布指數(shù)1.95固相最大粒徑/m2×10-4固相中間粒徑/m1.05×10-4固相最小粒徑/m1×10-6固相密度/(kg·m-3)1 200固相質(zhì)量流率/(kg·s-1)0.01剪切邊界無滑移網(wǎng)格數(shù)量/1058

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 風(fēng)流流場(chǎng)分布

圖3為綜掘工作面風(fēng)流場(chǎng)分布圖。由圖3可知，通風(fēng)風(fēng)筒流出的高速氣流由于綜掘工作面的阻擋，向巷道左右兩側(cè)分流，且由于風(fēng)筒位于掘進(jìn)機(jī)的左側(cè)，導(dǎo)致大部分的氣流在慣性作用下向巷道右側(cè)分流。掘進(jìn)機(jī)前方空間狹小，且掘進(jìn)機(jī)機(jī)體具有阻滯作用，導(dǎo)致X=0～8 m的風(fēng)流流動(dòng)受阻而流場(chǎng)紊亂，風(fēng)流場(chǎng)的紊亂程度隨通風(fēng)風(fēng)速的增大而增大。在X=0～8 m，大部分氣流沿+Y側(cè)煤壁向+X方向流動(dòng)。在掘進(jìn)機(jī)后方，由于流通通道擴(kuò)大，氣流具有-Y方向的分速度，開始沿橫向運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)伯努利定律，流體中流速較大處壓強(qiáng)較小[38]。氣流的高速流動(dòng)會(huì)造成周圍壓力降低，壓力差會(huì)反作用于氣流流動(dòng)[39-40]。因此，需結(jié)合綜掘工作面的壓力分布來分析風(fēng)流場(chǎng)的變化。圖4為Z=1.75 m處的壓力云圖。由圖4可知，在掘進(jìn)機(jī)前方存在一個(gè)“負(fù)壓區(qū)”，負(fù)壓區(qū)的面積隨風(fēng)速的增大而增大，其中心位于風(fēng)筒出口處(X=4 m，Y=0.5 m)附近，中心處氣壓由風(fēng)速u=11 m/s時(shí)的-3.23 Pa降低至u=26 m/s的-18.32 Pa。在X=0～10 m，部分+Y側(cè)的低速氣流由于負(fù)壓作用，向風(fēng)筒出口處流動(dòng)，并在掘進(jìn)機(jī)上方形成順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦流，且掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處于渦流之中。當(dāng)風(fēng)速為11～17 m/s時(shí)，由于壓差增大，導(dǎo)致渦流面積隨風(fēng)速增大而增大，但當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速超過17 m/s時(shí)，負(fù)壓區(qū)的壓差較大，低速氣流還未向+X方向流動(dòng)，就被吸引進(jìn)入渦流區(qū)，因此渦流面積逐漸縮小。經(jīng)過掘進(jìn)機(jī)右側(cè)的氣流由于流通通道向-Y方向擴(kuò)大，氣流具有向-Y方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。在掘進(jìn)機(jī)后方，由于大部分氣流具有較大+X方向速度，脫離負(fù)壓區(qū)的吸引繼續(xù)向+X方向流動(dòng)。而在+X方向速度較小的氣流，在負(fù)壓區(qū)吸引以及丁達(dá)爾效應(yīng)作用下，環(huán)繞著皮帶運(yùn)輸機(jī)回流，最終匯入掘進(jìn)機(jī)上方的渦流中。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處于回流路徑上，因此司機(jī)同時(shí)受到右側(cè)渦流與后方回流的作用。當(dāng)風(fēng)速為11～20 m/s時(shí)，回流區(qū)面積隨風(fēng)速的增大而減小，但當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速超過20 m/s時(shí)，由于壓差增大，可吸引距離負(fù)壓區(qū)更遠(yuǎn)的低速風(fēng)流，導(dǎo)致回流區(qū)面積反而增大?；亓鲄^(qū)的分布受風(fēng)速影響，但回流的氣流均在掘進(jìn)機(jī)的左后方匯入渦流中。

3.2 粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡及濃度分布

圖5為綜掘工作面粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡圖，圖6為綜掘工作面粉塵分布圖。由圖5可知，在綜掘工作面處，塵源粉塵在風(fēng)流的攜帶作用下，沿回風(fēng)側(cè)煤壁向軸向運(yùn)動(dòng)。部分粉塵會(huì)在掘進(jìn)機(jī)上方渦流的作用下做類圓周運(yùn)動(dòng)，粉塵會(huì)從右側(cè)運(yùn)動(dòng)至司機(jī)周邊。由于掘進(jìn)機(jī)機(jī)體的阻滯作用，氣載粉塵的流通通道縮小，導(dǎo)致粉塵運(yùn)移速度增大，在掘進(jìn)機(jī)右側(cè)形成一道高速粉塵流，應(yīng)在掘進(jìn)機(jī)右側(cè)攔截粉塵。當(dāng)高速粉塵流經(jīng)過掘進(jìn)機(jī)機(jī)體時(shí)，流通通道突然擴(kuò)大，粉塵流的運(yùn)移速度減小，并逐漸沿橫向向工作面中部擴(kuò)散。如圖5，6所示，由于存在氣流回流，沿回風(fēng)側(cè)煤壁運(yùn)移速度較小的粉塵在氣流的攜帶作用下流向負(fù)壓區(qū)。在掘進(jìn)機(jī)后方，粉塵擴(kuò)散速度較小，發(fā)生積聚，形成1個(gè)環(huán)繞著掘進(jìn)機(jī)的高濃度帶，當(dāng)風(fēng)筒出口風(fēng)速不足17 m/s時(shí)，粉塵帶平均質(zhì)量濃度高于300 mg/m3。圖7為綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度分布圖。如圖6，7所示，當(dāng)風(fēng)速超過20 m/s時(shí)，由于氣流單位時(shí)間內(nèi)攜帶的粉塵量更大，因此工作面整體粉塵質(zhì)量濃度下降。同時(shí)隨風(fēng)速增大，風(fēng)筒出口處形成的負(fù)壓值降低，吸引回流粉塵形成一個(gè)高濃度粉塵團(tuán)。圖8為司機(jī)周邊粉塵質(zhì)量濃度分布圖。由于司機(jī)周邊除了有從回風(fēng)側(cè)運(yùn)移而來的粉塵，還有由后方回流的粉塵，因此司機(jī)右側(cè)與后方的粉塵質(zhì)量濃度較高。由圖7，8可知，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位于粉塵帶的前部，在風(fēng)筒出口風(fēng)速為11 m/s時(shí)，司機(jī)后部粉塵質(zhì)量濃度最大，為150 mg/m3，隨風(fēng)筒出口風(fēng)速增大，司機(jī)周邊粉塵質(zhì)量濃度迅速降低[41]，當(dāng)風(fēng)筒出口風(fēng)速為26 m/s時(shí)最大，此時(shí)司機(jī)右側(cè)粉塵質(zhì)量濃度最高，為15 mg/m3。為保護(hù)司機(jī)及提高綜掘工作面能見度，應(yīng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)回風(fēng)側(cè)的高速粉塵流和后方回流粉塵進(jìn)行攔截。

圖4 Z=1.75 m壓力分布Fig.4 Pressure nephogram at Z=1.75 m

圖5 綜掘工作面粉塵流線分布Fig.5 Dust trajectories at the fully nechanized heading face

圖6 粉塵空間分布Fig.6 Spatial distribution of dust

圖7 綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.7 Quality concentration distribution at the fully nechanized heading face

圖8 司機(jī)周邊粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.8 Quality concentration distribution around the driver of roadheader

由圖7可知，綜掘工作面的粉塵質(zhì)量濃度隨通風(fēng)風(fēng)速的增大而降低。因此，可考慮通過提高通風(fēng)風(fēng)量來降低工作面的粉塵質(zhì)量濃度。由圖6，7可知，當(dāng)風(fēng)速為11～17 m/s時(shí)，隨通風(fēng)風(fēng)速增大，粉塵帶的面積與最高質(zhì)量濃度均減小。當(dāng)風(fēng)速為20～26 m/s時(shí)，進(jìn)風(fēng)側(cè)距綜掘工作面2.5 m內(nèi)存在高質(zhì)量濃度粉塵團(tuán)，平均質(zhì)量濃度高于300 mg/m3。由圖7可知，當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為11 m/s時(shí)，X≥6 m為高質(zhì)量濃度區(qū)，其中X=6～10 m區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度最高。隨風(fēng)速的增大，高質(zhì)量濃度區(qū)影響范圍縮小。在軸向上，高質(zhì)量濃度區(qū)由風(fēng)速為11 m/s時(shí)的X≥6 m縮小到風(fēng)速為26 m/s時(shí)的X≤2 m,圖7為綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度分布圖。在橫向上，高質(zhì)量濃度區(qū)由0～5 m均勻分布縮小到2～5 m。此粉塵團(tuán)的中心會(huì)隨風(fēng)速增大而向綜掘工作面逐漸移動(dòng)，在風(fēng)速為20 m/s中心位于X=6 m，當(dāng)風(fēng)速為26 m/s時(shí)移動(dòng)至X=2 m，且隨風(fēng)速增加，高濃度區(qū)的平均粉塵質(zhì)量濃度增大。

3.3 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)2602綜掘工作面現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置情況，設(shè)置5個(gè)檢測(cè)斷面，分別距離綜掘工作面4，6，8，10和12 m。每個(gè)斷面設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)量風(fēng)速和粉塵質(zhì)量濃度。圖9為各截面的測(cè)點(diǎn)設(shè)置。分別采用AKFC-97-92A型礦用粉塵采樣器和CFJ-5低速風(fēng)表，在各測(cè)點(diǎn)處測(cè)量粉塵質(zhì)量濃度與風(fēng)速，各點(diǎn)的粉塵質(zhì)量濃度與風(fēng)速均測(cè)量3次，取平均值。圖10為各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速、粉塵質(zhì)量濃度的實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果。由圖10可知，各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速和粉塵質(zhì)量濃度的實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值的變化趨勢(shì)基本一致，且平均相對(duì)誤差分別為6.50%和6.75%，相對(duì)誤差在可接受范圍內(nèi)[42]，因此數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖9 測(cè)點(diǎn)設(shè)置Fig.9 Layout of Measuring points

圖10 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.10 Comparison between simulation results and experiment results

4 結(jié) 論

(1)綜掘工作面的風(fēng)筒出口處存在“負(fù)壓區(qū)”，負(fù)壓區(qū)的面積隨風(fēng)筒出口風(fēng)速的增大而增大，而其中心負(fù)壓值持續(xù)減小。負(fù)壓吸引掘進(jìn)機(jī)右側(cè)風(fēng)流，在掘進(jìn)機(jī)上方形成順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦流。當(dāng)風(fēng)速小于17 m/s時(shí)，渦流面積隨風(fēng)速增大而增大，當(dāng)風(fēng)速大于17 m/s時(shí)，渦流面積逐漸縮小。掘進(jìn)機(jī)后方氣流在負(fù)壓的吸引下回流，當(dāng)風(fēng)速為11～20 m/s時(shí)，回流區(qū)影響的范圍隨風(fēng)速的增大而減小，當(dāng)風(fēng)速大于20 m/s時(shí)，回流區(qū)面積反而隨風(fēng)速增大而增大。

(2)綜掘工作面的粉塵質(zhì)量濃度隨通風(fēng)風(fēng)速的增大而減小。在X=5～9 m，沿回風(fēng)側(cè)煤壁流動(dòng)的粉塵流中部分粉塵隨渦流循環(huán)流動(dòng)，從右側(cè)進(jìn)入司機(jī)周邊。在掘進(jìn)機(jī)后方，部分氣載粉塵回流經(jīng)司機(jī)周邊與渦流匯合而進(jìn)入負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)致司機(jī)的右側(cè)與后方的粉塵質(zhì)量濃度較高。當(dāng)風(fēng)速小于17 m/s時(shí)，回流粉塵形成一個(gè)面積隨風(fēng)速增大而減小的環(huán)掘進(jìn)機(jī)高質(zhì)量濃度粉塵帶。當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速大于17 m/s時(shí)，回流粉塵在進(jìn)風(fēng)側(cè)距綜掘工作面2.5 m的區(qū)域聚集，形成高濃度粉塵團(tuán)，且其平均濃度隨風(fēng)速增大而增大。

(3)采用壓入式通風(fēng)綜掘工作面區(qū)域，回風(fēng)側(cè)和掘進(jìn)機(jī)后方是粉塵防治的重點(diǎn)區(qū)域，為避免粉塵向工作面深處擴(kuò)散，應(yīng)在回風(fēng)側(cè)設(shè)置粉塵攔截裝置或收集裝置攔截粉塵。同時(shí)，可在掘進(jìn)機(jī)的后部設(shè)置覆蓋工作面斷面的除塵裝置，對(duì)沿回風(fēng)側(cè)運(yùn)移的粉塵進(jìn)行二次攔截，還可阻擋掘進(jìn)機(jī)后方粉塵在負(fù)壓吸引作用下回流至綜掘工作面，避免粉塵阻擋司機(jī)的視線。